河流城市土地利用景观格局变化及其生态风险分析—以江西省德兴市为例

胡绵好, 袁菊红, 蔡静远, 周早弘



河流城市土地利用景观格局变化及其生态风险分析—以江西省德兴市为例

胡绵好1*, 袁菊红2, 蔡静远3, 周早弘1

1. 江西财经大学, 生态经济研究院, 南昌 330032 2. 江西财经大学, 环境与植物科学研究所, 南昌 330032 3. 江西财经大学, 软件与通信工程学院, 南昌 330032

利用德兴市 2000年、2005年、2010年和 2014年4 期的TM遥感解译数据, 在 GIS 和景观格局分析软件支持下, 对该区域 2000年—2014年的土地利用景观格局变化及其生态风险进行了分析。结果表明: 2000—2014 年间, 林地是区域主导的景观类型, 占总面积达 80%以上, 且德兴市土地利用景观格局发生了较大的变化, 其中建设用地景观面积大幅增加(增加了1725.9 hm2), 而耕地、林地、水域和其他用地景观面积减少。2000—2014年德兴市土地利用景观的斑块数、多样性指数和均匀度指数处于降低趋势, 斑块结合度指数处于增加趋势; 斑块数、斑块密度、边界密度表现为先减后增再减的过程, 分离度、分维数、蔓延度指数变化表现为先增后减再增的过程。德兴市的土地生态风险处于低生态风险, 但风险指数呈上升趋势。

景观格局; 生态风险; 德兴市

1 前言

景观格局是研究景观功能和动态的基础, 是揭示空间变异特征及区域生态状况的有效手段, 其沿某一方向的互馈变化对预示某种生态学过程起着重要的作用[1]。景观生态风险评价是在自然或人为因素影响下对景观格局与生态过程相互作用产生影响的一种评价方法, 其为区域景观生态建设、资源管理、景观生态环境修复等研究领域提供了新的研究视角, 已引起了国内外学者的高度重视[2]。研究表明,武汉市耕地格局越来越分散, 水域分散下降且高风险区域主要集中于水域景观区[3]; 烟台市城市用地和农地景观格局人类活动强度增强而逐渐增大, 景观生态风险沿着海岸线呈半圆环发展变化[4]。阮俊杰等[5]利用景观生态风险评价方法研究发现, 青浦区生态风险处于中等水平, 风险空间差异性明显且城镇景观类型是主要生态风险区域; 运用相对指标法对景观生态风险指数进行分级的研究还表明, 江苏省沿海地区的高风险区区域面积增加且主要集中于滩涂区[6], 辽宁省锦州湾沿海经济开发区较高生态风险区域面积也明显增加且主要位于兴城市和绥中县东南沿海地区[7]。张月等[8]研究还表明, 1998—2013年间艾比湖区域耕地景观面积明显增加, 其他景观面积减少, 艾比湖区生态风险等级由高生态等级向低生态等级转变的总面积远高于由低生态等级向高生态等级转变的总面积。研究还发现, 快速城市化和工业化对巢湖流域土地景观结构及格局影响显著, 巢湖流域9个行政单元的生态风险呈上升趋势[9]; 昆山市耕地和水域是最具有生态风险的景观类型, 经济快速发展对该区域的景观格局作用强烈, 区域生态风险处于上升态势[10]。由此可见, 景观的组分结构特征易于保存景观信息, 可通过专业判断和统计分析建立景观组分结构与生态影响类型及其强度间的经验联系, 加之景观结构还可以准确的显示各种生态影响的空间分布和梯度变化特征, 有利于各种空间分析的手段的广泛应用, 进而为区域性生态保护提供更可靠的决策依据[7]。

城市河流不仅是城市景观的一种自然体, 还是重要的生态廊道之一[11], 具有调节气候、供应水源、提供绿地、保护环境、旅游娱乐、交通运输、文化教育及物种多样性保护等生态服务功能[12]。近年来, 随着人类活动范围扩大和程度的加剧, 河流城市的土地利用景观格局变化对河流水文循环、水土流失、气候变化及生物多样性的影响越来越大, 严重威胁城市河流的生态安全[13], 已成为区域土地利用景观格局变化研究的热点问题之一[14]。德兴市位于江西省上饶市北部, 乐安河中上游, 境内长度在5 km以上的河流有87条, 其中主要河流—洎水河, 流域总面积557 km2, 自东南向西北穿德兴市区境内(流经面积达501 km2), , 作为典型区域特色的河流景观, 具有重要的生态环境服务价值。近年来, 随着该河流两岸土地利用和城市化进程的加快, 致使河岸的自然地理条件改变、生态环境破坏, 景观格局随之发生较大的演变, 生态风险加大。目前, 在人类活动强烈影响背景下, 有关该河流两岸土地利用及景观格局的空间结构特征研究较少, 基于此, 本文以河流两岸城市—德兴市为研究区域, 在土地利用变化基础上采用景观生态学的格局指数分析该区域的土地利用景观格局空间变化特征, 并定量评价其土地景观格局变化的生态效应, 以期为区域土地利用结构的优化提供决策依据, 为区域景观生态建设、流域生态保护、资源开发和经济建设之间的协调发展提供理论基础与技术支持。

2 研究区概况

德兴市(117°58′E, 28°96′′N)位于江西省上饶市北部(图1), 乐安河中上游, 其东接浙江省开化县, 东南与上饶县、玉山县毗邻, 南和横峰县、弋阳县相接, 西接乐平市, 北连婺源县。德兴市属于中亚热带湿润季风区, 具有气候温暖、雨量充沛、光照充足、四季分明和昼夜温差大, 无霜期较长等山区小气候特点。德兴市境内长度在5 km以上的河流有87条, 均属饶河水系。乐安河是境内主干河流, 发源于赣皖边境, 由北部入境, 流经海口、泗洲2镇, 境内流长51 km。流入德兴市境内的面积在150 km2以上的河流有5条支流, 自东南流向西北后注入乐安河, 其中洎水河为乐安河上游的一条较大支流, 流域总面积557 km2, 流经德兴市境内达501 km2, 是德兴市境内的第二条大河, 又被称为德兴的母亲河。

作为典型的资源工业型城市, 德兴市素有“金山”、“银城”、“铜都”之美誉, 已探明储量并开发的矿产达30多种, 年产铜居中国之首, 年产黄金居江南之首, 是中国重要的有色金属工业基地。随着工业化、城市化进程的飞速发展和矿山资源的大规模开采, 人地矛盾日益加剧, 森林植被破坏, 水土流失加剧, 土地承载能力下降, 土地生态环境破坏和污染严重, 已对下游的鄱阳湖生态环境造成了严重威胁。

3 数据处理及方法

3.1 数据来源及处理

本研究中的土地利用景观类型划分主要来源于德兴市2000年5月、2005年6月、2010年5月、2014年6月的LandsatTM 30 m遥感影像的土地利用覆被数据, 其中2000至2010年为Landsat-5TM影像, 2014年为Landsat-8TM影像。为了便于讨论景观指标变化的科学性及可操作性, 结合遥感影像图和研究区的实际情况, 在参照全国土地利用分类系统基础上, 将研究区的土地利用景观类型划分为: 耕地(包括旱地、水田等)、林地(包括林地、园地、少量草地等)、水域(包括河流、湖泊、水塘、水库等)、建设用地(包括城镇用地、农村居民点等)和其他用地(包括滩涂、裸地、沙地等)5种类型。研究区矢量边界范围、影像校正参考数据和土地利用变更调查数据均来源于江西省国土资源厅勘测规划院。

3.2 景观结构及其变化分析

本研究应用 ArcGIS10.0 软件统计不同土地利用景观类型的面积, 计算 2000、2005、2010 年不同类型景观的面积比例。为了解不同景观类型之间的转化情况, 利用 ArcGIS10.0 空间分析模块中的 Tabulate Area 工具计算出 2000—2014年研究区各景观类型的马尔科夫转移矩阵, 有利于探讨类型转化的相互关系。

3.3 景观格局分析

景观指数能将复杂景观高度浓缩为简单、易识别的景观格局信息, 反映其结构组成和空间配置等方面的特征, 用来定量地描述和监测景观结构特征随时间的变化[15]。在 ArcGIS10.2系统软件支持下, 利用景观格局分析软件Fragstats 3.3对德兴市的景观格局特征参数进行分析, 计算相关的景观指标。Fragstats 3.3可以计算 60 多种景观指标, 且许多指标之间具有高度的相关性。因此, 本研究选取在类型水平上选取的指数有: 斑块密度(PD)、斑块个数(NP)、边缘密度(ED)、周长-面积分维数(PAFRAC)、最大斑块指数(LPI)、散布与并列指数(IJI)、斑块结合度指数(COHESION)、景观类型所占景观面积的比例(PLAND); 在景观水平上选取的指数有: 斑块个数(NP)、斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、周长-面积分维数(PAFRAC)、分离度(SPLIT)、香农多样性指数(SHDI)、香农均度指数(SHEI)、蔓延度指数(CONTAG)。各景观指数的具体描述、计算方法及其生态学意义见郑新奇等[16], Xie等[17]和邬建国[18]等文献。

图1 江西省德兴市位置图

3.4 生态风险指数分析

为建立土地利用景观类型与区域综合生态风险之间的联系, 利用各土地利用景观类型的面积, 构建各土地利用景观类型的生态风险指数(Ecological Risks Index, ERI)[19], 使其更具有针对性和更能反映景观结构变化所带来的生态风险变化, 其计算公式如下:

4 结果与分析

4.1 德兴市景观类型分布及其变化分析

2000—2014年, 德兴市各景观类型结构变化不明显(图2和表1)。对于 4个研究年份, 林地是所有景观类型中所占面积最大的景观类型, 所占总面积达 80%以上, 但其面积呈现递减趋势; 建设用地景观面积占总面积分别为5.04%、5.29%和5.66%和5.87%, 且2000—2014年, 德兴市的建设用面积共增加了1725.9 hm2; 耕地景观类型占总面积的百分比分别为11.73%、11.68%和11.67%和11.63%, 且耕地和林地、水域、其他用地景观类型的变化趋势一致, 均在逐年减少; 而建设用地景观类型一直呈上升趋势(表1), 这在一定程度上反映了研究区土地利用景观类型之间的转换关系。总体上来看, 2000—2104年德兴市的景观格局有一定程度的改变, 其中建设用地面积不断增长, 其他类型的土地面积在下降, 林地始终是德兴市的主导景观类型。

土地利用景观变化研究除了掌握土地利用景观变化的数量和程度之外, 对土地利用景观类型之间相互转化研究分析也较为重要[22], 转移矩阵可以很好的揭示土地利用景观类型之间的具体转化细节[23]。根据表1计算得到德兴市2000—2014年间的各景观类型转移矩阵(表2-4)。分析表明, 2000—2005年, 耕地面积呈下降趋势, 主要流出为建筑用地和林地, 流出比例分别为1.01%和0.08%; 林地面积下降, 主要流出为建筑用地, 流出比例为0.23%; 水域面积下降, 流出为耕地和林地, 流出比例分别为0.76%和0.17%; 建设用地面积增加, 主要流入源为耕地、林地和其他用地; 其他用地面积略微下降, 主要流出为林地、水域和建筑用地, 流出比例分别为0.3%、0.28%和0.1%。2005—2010年, 耕地面积呈略微下降趋势, 主要流出为建筑用地、林地和水域, 流出比例分别为1.97%、0.24%和0.15%。林地面积下降, 主要流出为建筑用地和耕地, 比例为0.39%和0.23%。水域面积有所上升, 主要流入源为耕地和建设用地。建设用地面积继续上升, 主要从耕地、其他用地和林地中流入。其他用地的面积呈下降趋势, 主要流出为林地和建设用地, 流出比例分别为2.69%1.13%。2010—2014年, 耕地面积继续下降, 流出为建设用地, 流出比例为0.81%; 林地面积持续下降, 主要流出为建筑用地和耕地, 流出比例为0.13%和0.01%; 水域面积再次下降, 主要流出到耕地、建设用地和他用地当中, 流出比例分别为0.39%、0.32%和0.15%; 建设用地面积增长, 流入源依次为耕地、其他用地、水域和林地; 其他用地面积略微下降, 主要流入到耕地、建设用地和林地当中, 流出比例为1.76%、0.66%、0.44%。总体来看, 德兴市土地利用景观类型的变化主要体现为耕地、林地、水域和其他用地转换为建设用地而使其逐年递减, 建设用地却逐年增加。

图2 德兴市景观类型分布及其变化(2000—2014)

4.2 德兴市景观格局变化

4.2.1 类型水平景观格局分析

在 4个考察年份间, 林地的PLAND、LPI指数下降, PD、ED、IJI、COHESION指数基本呈增加趋势, NP指数呈先下降后增加趋势, PAFARAC指数却呈先增加后减少趋势, 说明林地为该研究区的优势景观, 这一点从林地覆盖程度上也可得到印证(图1); 耕地的 NP、PD 指数是整个研究区最高的且其呈增加趋势, PLAND指数呈下降趋势, ED指数呈下降-增加-下降趋势, PAFARAC、LPI指数呈先增加后下降的趋势, IJI、COHESION指数呈先下降后增加趋势; 水域的NP、PD、PAFARAC、LPI、PLAND指数呈现下降—增加—下降的变化趋势, ED指数呈先下降后增加的趋势, IJI指数呈现增加—下降—增加的变化趋势, COHESION指数呈先增加后下降; 建设用地的ED、LPI、IJI、PLAND指数一直呈增加趋势, NP、PD指数为下降—增加—下降趋势, PAFARAC指数为先增加后下降趋势, COHESION指数为增加—下降—增加趋势; 其他用地的NP、PD、ED、PLAND指数均呈下降趋势, COHESION指数呈增加趋势, PAFARAC、IJI指数呈先增加后下降趋势, LPI指数呈下降—增加—下降趋势(表5)。

表 1 德兴市各景观类型面积 (2000—2014)

表 2 德兴市各景观类型转移矩阵(2000—2005)

表 3 德兴市各景观类型转移矩阵(2005—2010)

表4 德兴市各景观类型转移矩阵(2010—2014)

4.2.2 景观水平格局分析

2000—2014年期间德兴市NP、PD、ED指数虽有增加趋势, 但基本下降趋势, 说明该研究区的景观斑块数量减少、破碎化程度较低、斑块的形状趋于简单。PAFRAC指数为先增加后下降的趋势, 且指数为1.34以上, 接近于最大值2, 说明景观形状有较高的复杂性和不规则性, 受人类活动的影响较大, 分维数高。SPLIT 指数基本呈增加趋势, 说明德兴市的景观被分割破碎程度较大, 在一定程度上也说明了该研究区内人类对景观的干扰程度和生态系统的影响越大。SHDI、SHEI 指数基本呈现降低趋势, 说明德兴市的景观类型少, 但分布不均匀, 随着对河流城市景观类型开发利用的增加, 均匀度指数有所降低, 并向不均匀化发展, 景观类型所占比例差别增大, 其中某一要素或少数要素占优势。CONTAG指数呈先增加后下降再增加的趋势, 说明来研究区地表景观斑块空间上集聚程度增加, 同一类型斑块的均匀度在增加(表6)。

表5 德兴市类型水平各景观指数变化(2000—2014)

表6 德兴市景观水平各景观指数变化(2000—2014)

4.3 德兴市景观生态风险指数评价

景观所受的干扰度越大, 则景观的敏感性亦越强, 抵抗外界干扰能力和自我恢复能力越弱, 其生态风险也就越大。利用公式(1)和韦仕川等[20]设定的不同土地利用景观类型的生态风险强度参数计算出德兴市2000年、2005年、2010年和2014年的土地生态风险指数分别0.0877、0.0883、0.0891和0.0895。从风险级别来看, 这4年的土地生态风险处于虽低生态风险, 但风险指数呈上升趋势(图3)。由此可见, 随着土地利用的不断变化, 德兴市景观生态风险呈增加态势, 景观生态安全的压力增大。

5 结论

1)林地是德兴市景观类型的基础, 对该区景观生态的主体格局起着控制和主导作用; 德兴市总体上仍属于典型的林地景观类型。2000—2014 年, 德兴市土地利用景观格局发生了巨大变化, 其中建设用地景观面积大幅度增加, 共增加了1725.9 hm2, 这说明德兴市社会经济的快速发展, 极大地刺激了对城市建设用地特别是生产、生活用地的需求, 使建设用地面积总量迅速增长; 而耕地、林地、水域和其他用地景观面积的减少, 则表现出资源型城市土地利用变化受到人类强烈的影响。

图3 德兴市景观生态风险指数变化(2000—2014)

2)2000—2014年德兴市土地利用景观的斑块数、多样性指数和均匀度指数为降低趋势, 而斑块结合度指数为增大趋势; 斑块数、斑块密度、边界密度、多样性指数和均匀度指数表现为先减后增再减的过程, 分离度、分维数、蔓延度指数变化表现为先增后减再增的过程, 由此表明了德兴市土地利用景观类型之间存在较大差异, 各组分的复杂性降低, 大斑块增多, 各景观之间的不均匀性增大, 不稳定性增强。

3)2000—2014年, 德兴市的土地生态风险虽处于低生态风险, 但风险指数呈上升趋势, 这表明德兴市的土地生态安全状况仍不乐观且逐步向恶化趋势转变。为了土地利用的生态安全及其可持续发展, 今后德兴市应以景观结构及其功能变化为切入点, 对不合理的土地利用方式所导致的景观土地利用结构变化及功能退化等进行合理的调整, 以减少景观的破碎度与分离度, 达到土地景观的科学规划与利用。

[1] 谢花林. 基于景观结构的土地利用生态风险空间特征分析—以江西兴国县为例[J]. 中国环境科学, 2011, 31(4): 688-695

[2] 张月, 张飞, 周梅, 等. 干旱区内陆艾比湖区域景观生态风险评价及时空分异[J].应用生态学报, 2016, 27(1): 233–242.

[3] 黄木易, 何翔. 巢湖流域土地景观格局变化及生态风险驱动力研究[J]. 长江流域资源与环境, 2016, 25(5): 743– 750.

[4] 宋珂, 宋喧, 韩涛. 基于景观结构的经济发达地区生态风险评价—以昆山市为例[J]. 江西农业学报, 2015, 27(1): 104–109.

[5] 刘路明, 彭明春, 王崇云, 等. 昆明市城市河流景观特征及其变化分析[J]. 环境科学与技术, 2011, 34(3): 121–125.

[6] 阎水玉, 王祥荣. 城市河流在城市生态建设中的意义和应用方法[J]. 城市环境与城市生态, 1999, 12 (6): 36– 38.

[7] 林茂森, 王殿武, 刘玉珍, 等. 城市河流健康威胁与生态修复[J]. 沈阳大学学报(自然科学版), 2015, 27(3): 197– 200.

[8] 刘树坤. 城市河流的治理与研究展望[J]. 水利科技与经济, 2012, 18(1): 1–3.

[9] 胡冬雪, 唐立娜, 邱全毅, 等. 海峡西岸经济区景观格局10年变化及驱动力[J]. 生态学报, 2015, 35(18): 6138- 6147.

[10] 郑新奇, 付梅臣, 姚慧, 等. 景观格局空间分析技术及其应用[M]. 北京:科学出版社, 2010: 3–5.

[11] XIE Yichun, YU Mei, BAI Yongfei, et al. Ecological analysis of an emerging urban landscape pattern desakota: A case study in Suzhou, China[J]. Landscape Ecology, 2006, 21(8): 1297–1309.

[12] 邬建国, 景观生态学-格局、过程、尺度与等级 (第二版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007: 112–113.

[13] 曾辉, 刘国军. 基于景观结构的区域生态风险分析[J]. 中国环境科学, 1999, 20(1): 43–45.

[14] 韦仕川, 吴次芳, 杨杨, 等. 基于RS和GIS的黄河三角洲土地利用变化及生态安全研究—以东营市为例[J]. 水土保持学报, 2008, 22(1): 185–189.

[15] 王娟, 崔保山, 刘杰, 等. 云南澜沧江流域土地利用及其变化对景观生态风险的影响[J]. 环境科学学报, 2008, 28(2): 269–277.

[16] 尚勇敏, 何多兴, 耿黎, 等. 重庆市合川区土地利用变化及生态环境效应评价[J]. 水土保持通报, 2012, 32(2): 222–226.

[17] 唐文刚, 孙伟晔, 范占永. 苏州工业园区土地利用景观格局变化分析[J]. 中国农学通报, 2015, 31(7): 159–164.

Landscape pattern changes of land-use and its ecological risks analysis of river urban: A case analysis ofDexing in Jiangxi Province

HU Mianhao1*, YUAN Juhong2, CAI Jingyuan3, ZHOU Zaohong1

1. Institute of Ecological Economics, Jiangxi University of Finance & Economics, Nanchang 330032, China 2. Institute of Environment and Plant Science, Jiangxi University of Finance and Economics, Nanchang 330032, China 3. School of Software and Communication Engineering, Jiangxi University of Finance & Economics, Nanchang 330032, China

Landscape pattern changes of land use and its ecological risks of the region from 2000 to 2014 were investigated based on four scenes of Landsat TM imageries acquired from 2000, 2005, 2010 and 2014 in Dexing, and geographic information system (GIS) and related landscape analysis techniques. The results showed that forest land landscape was the dominant land use type, andaccountedforthetotalareaofmorethan80% from 2000 to 2014, and land use landscape pattern of Dexing changed larger; among them, the landscape area construction land was greatly increased (increased by 1725.9 hm2), and the landscape area of cultivated land, forest land, water and other land use were reduced. The NP, SHDI and SHEI index of land use landscape in Dexing were in the lower trend during 2000-2014, COHESION index was in an increasing trend, and the NP, PD and ED index showed the process of decreasinginitially and then increasing and then decreasing. However, the SPLIT, PAFRAC and CONTAG index showed the process of increasinginitially and then decreasing and then increasing. The land ecological risk of Dexing was low ecological risk, but the land risk indexwas on the rise during 2000-2014.

landscape pattern; ecological risk; Dexing

F301.24

A

1008-8873(2018)01-078-09

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.01.011

2016-12-01;

2017-02-08

国家自然科学基金项目(21407069, 21367013); 江西省自然基金(20142BAB203024, 20151BAB203034); 江西省高校人文社科项目(JC1420); 江西财经大学优秀学术人才支持计划项目(K00292025); 国家留学基金资助(201509805005)

胡绵好(1976—), 男, 湖南麻阳人, 博士, 副教授, 主要从事区域环境污染控制及经济分析评价研究, yankeu1@163.com.

胡绵好, 袁菊红, 蔡静远, 等. 河流城市土地利用景观格局变化及其生态风险分析—以江西省德兴市为例[J]. 生态科学, 2018, 37(1): 78-86.

HU Mianhao, YUAN Juhong, CAI Jingyuan, et al. Landscape pattern changes of land-use and its ecological risks analysis of river urban: A case analysis ofDexing in Jiangxi Province[J]. Ecological Science, 2018, 37(1): 78-86.